2023鈉電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈會(huì)議暨企業(yè)家峰會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

電池百人會(huì)-電池網(wǎng)7月28日訊（肖何 梁小婧 江蘇無(wú)錫報(bào)道）7月28日，由江蘇省貿(mào)促會(huì)指導(dǎo)，無(wú)錫市錫山區(qū)人民政府、無(wú)錫市貿(mào)促會(huì)主辦，中關(guān)村新型電池技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟、中國(guó)電池網(wǎng)承辦的2023鈉電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈會(huì)議暨企業(yè)家峰會(huì)在無(wú)錫錫山區(qū)召開(kāi)。本次會(huì)議以“電車(chē)鈉紀(jì)元，產(chǎn)業(yè)新動(dòng)能”為主題，深度聚焦電池新能源產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)、深度解讀應(yīng)用前景及未來(lái)趨勢(shì)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新思路、新動(dòng)力，推進(jìn)優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目投資活動(dòng)，力爭(zhēng)打造有價(jià)值、高規(guī)格、有影響力的電池新能源產(chǎn)業(yè)交流平臺(tái)。

俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波

28日下午，俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波在會(huì)上發(fā)表了題為《“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下的鈉離子電池技術(shù)進(jìn)展》的主題演講，分享了鈉離子電池電極材料的特性與優(yōu)化策略、鈉離子電池電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展、鈉離子全電池的發(fā)展趨勢(shì)與市場(chǎng)需求、寬溫域和高功率鈉離子電池技術(shù)進(jìn)展等，電池網(wǎng)摘選了其部分精彩觀點(diǎn)，以饗讀者：

王振波介紹，相對(duì)于其他儲(chǔ)能形式，電化學(xué)儲(chǔ)能在規(guī)模和場(chǎng)地上擁有較好的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)在調(diào)度響應(yīng)速度、控制精度、電力系統(tǒng)調(diào)頻以及建設(shè)周期多方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，電化學(xué)儲(chǔ)能在近兩年儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，具有廣闊的應(yīng)用前景。

“在化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程中不一定就是鋰離子電池，還有很多其他的電池，比如鉛酸、鎳氫、鉻鎳、釩等等，它們的性能是不一樣的，在這當(dāng)中鋰的性能是最好的?！蓖跽癫ǚ治龇Q(chēng)，鋰的性能雖好，但地球上鋰資源的儲(chǔ)量是有限的，鋰資源的價(jià)格也在上漲，回收布局還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此，性能好但成本高的鋰離子電池難以支撐起未來(lái)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)所需的海量能源供應(yīng)與儲(chǔ)存。相比之下，鈉資源儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，研發(fā)鈉離子電池作為一部分鋰離子電池的替用品可以緩解市場(chǎng)需求。

鈉電池發(fā)展契機(jī)：高性?xún)r(jià)比 補(bǔ)充鋰電

在王振波看來(lái)，鈉離子電池性能不算最優(yōu)，但制造成本低于鋰電，具有高“性?xún)r(jià)比”；鈉離子電池的生產(chǎn)可沿用鋰電生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，企業(yè)轉(zhuǎn)型的速度快、成本低。

“從70年代一直到現(xiàn)在，我們一直在做鈉離子電池，但是相對(duì)鋰來(lái)說(shuō)進(jìn)展還是慢的?！蓖跽癫ń榻B，鈉離子電池的發(fā)展幾乎與鋰離子電池同時(shí)起步，但由于鋰電池的成功商用化，鈉電的研究被擱置。而實(shí)際上，鈉電的性能雖不能比肩鋰電，但是可以滿足日常使用的，并且其規(guī)?；蟮某杀疽陀阡囯?，換言之，鈉電具有更高的性?xún)r(jià)比，這將是促使鈉電產(chǎn)業(yè)化的重大契機(jī)。

從產(chǎn)業(yè)進(jìn)程來(lái)看，目前鈉電相當(dāng)于20年前的鋰電，參照鋰電發(fā)展藍(lán)圖，市場(chǎng)潛力巨大。

從制造工藝來(lái)看，制造設(shè)備可沿用鋰電現(xiàn)有產(chǎn)線，制造成本低，電池廠無(wú)重置成本。

從產(chǎn)品性能來(lái)看，循環(huán)壽命、安全性、倍率性能、高低溫性能不弱于各類(lèi)鋰離子電池。

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，電芯成本低，性?xún)r(jià)比高，適合對(duì)能量密度要求不高但看重成本的場(chǎng)景。

通過(guò)以上維度比較，王振波指出，“我們要考慮鈉電自身的特點(diǎn)，在補(bǔ)充鋰電、替代鉛酸上做工作。”其分析稱(chēng)，與成熟的鋰電、鉛酸電池體系相比，鈉電的能量密度比鋰電稍差，但優(yōu)于鉛酸。由此看來(lái)，鈉電有希望逐步取代鉛酸電池，同時(shí)能夠緩解市場(chǎng)對(duì)鋰電的需求。例如，對(duì)體積、重量不甚敏感的儲(chǔ)能電站、中低速電動(dòng)車(chē)等。

鈉電池材料：多線并存 共同發(fā)展

王振波介紹，鈉電主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)三大核心部分組成，這三大組成很大程度上決定了電池的各方面性質(zhì)。因而，在理論研究和工廠的實(shí)踐論證中，各類(lèi)正極都有涉獵，每條線路中再分別解決對(duì)應(yīng)材料的短板。

鈉電正極材料主要分為四種，各有優(yōu)劣：過(guò)渡金屬層狀氧化物（容量大，衰減快）、普魯士藍(lán)型化合物（循環(huán)好，制備難）、聚陰離子型化合物（循環(huán)好，導(dǎo)電差）、有機(jī)小分子化合物（種類(lèi)多，易失效）。

具體來(lái)看，與鋰電不同，鈉電中的層狀氧化物正極的循環(huán)性能較差。這是因?yàn)殁c離子的半徑更大，在材料中的嵌脫更為困難，因此表現(xiàn)出較差的性能。改進(jìn)策略一是通過(guò)材料成分調(diào)節(jié)，抑制不可逆相變，可以提升循環(huán)性能；二是通過(guò)材料成分調(diào)節(jié)，減少Ni的用量，可以進(jìn)一步降低成本；三是對(duì)氧、水分敏感，易受到外部環(huán)境誘導(dǎo)發(fā)生結(jié)構(gòu)、性能退化。

普魯士藍(lán)類(lèi)材料具有空曠的晶體結(jié)構(gòu)，鈉離子嵌脫高度可逆，因而理論上可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的循環(huán)、倍率性能。但缺點(diǎn)是，材料中的結(jié)晶水會(huì)影響材料的各方面性能，因而對(duì)制備條件要求嚴(yán)格。普魯士藍(lán)類(lèi)材料通過(guò)改變金屬元素種類(lèi)，可以調(diào)節(jié)材料的電壓、比容量，另外通過(guò)調(diào)節(jié)材料中結(jié)晶水的含量，可以改善循環(huán)、倍率性能。

聚陰離子型材料同樣具有空曠的三維結(jié)構(gòu)，理論上也可以實(shí)現(xiàn)很好的性能。但最大的缺點(diǎn)是電子導(dǎo)電性差，必須通過(guò)改性才能應(yīng)用，可通過(guò)調(diào)整金屬元素種類(lèi)、陰離子種類(lèi)，提升材料的電壓；通過(guò)錳、鐵等元素取代價(jià)格高的金屬元素，降低材料成本。

有機(jī)物正極的種類(lèi)紛繁，因而有許多有機(jī)物正極可供選擇。但是，有機(jī)物溶于有機(jī)電解液，這會(huì)給電池的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大的不確定性。因此，這類(lèi)正極材料仍在研究和改性中，暫時(shí)沒(méi)有工廠實(shí)踐論證其作為正極材料的可行性。

鈉電負(fù)極材料方面，王振波介紹，也可分為四種：碳材料 （成本低，導(dǎo)電性高）、相轉(zhuǎn)化材料（容量高，導(dǎo)電性差）、鈦基化合物（穩(wěn)定性好，導(dǎo)電性差）、合金化材料（容量高，穩(wěn)定性差）。

根據(jù)鋰離子電池發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，碳材料被研究者最為看好。特別是熱解無(wú)煙煤產(chǎn)生的硬碳負(fù)極材料，既具有成本低的優(yōu)勢(shì)，也具有很好的電化學(xué)性質(zhì)。這一高性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)正好契合了鈉電低成本的發(fā)展理念。

相轉(zhuǎn)變型鈉電負(fù)極成本低，但是不可逆容量大。距離實(shí)際應(yīng)用，仍需要優(yōu)化材料與電解液的兼容性，進(jìn)一步提升首次效率。

鈦基化合物負(fù)極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高的理論容量。但缺點(diǎn)是材料的制備過(guò)程復(fù)雜，且材料自身存在電子電導(dǎo)差的問(wèn)題，因此綜合性能都不如無(wú)煙煤衍生的碳負(fù)極。

合金負(fù)極理論容量高，但是工作過(guò)程中的體積膨脹容易造成材料粉化失效，因而性能衰減嚴(yán)重，不利于長(zhǎng)期的電池使用過(guò)程。

綜合來(lái)看，鈉電負(fù)極最有應(yīng)用前景的負(fù)極材料是無(wú)煙煤熱解得到的碳材料。對(duì)于另幾種負(fù)極材料，則需要進(jìn)一步地補(bǔ)齊短板，特別是提升材料的電子電導(dǎo)和倍率性能。

會(huì)上，王振波還提出了鈉離子電池負(fù)極材料的改性策略：一是形貌調(diào)控。納米化，縮短離子擴(kuò)散路徑；陣列化，提供直接快速的離子傳輸通道；二是包覆或摻雜改性。摻雜碳、石墨烯、金屬等導(dǎo)電性良好的物質(zhì)進(jìn)行改性；缺陷摻雜改性；三是晶格調(diào)控與組分優(yōu)化。優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，復(fù)合功能材料，發(fā)揮1+1>2的協(xié)同作用。

鈉電電解液方面，目前，多數(shù)研究者們傾向于使用有機(jī)電解質(zhì)。這是因?yàn)橛袡C(jī)電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口更寬，可達(dá)到4伏。因而，使用有機(jī)電解質(zhì)更可能實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。目前，研究者多使用碳酸酯類(lèi)的有機(jī)電解液。

王振波提出，通過(guò)調(diào)節(jié)電解液的組分、比例，可以影響電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面，從而提升電池的各方面性能。其中，SEI膜-電極的關(guān)系近似固-固界面，通過(guò)調(diào)節(jié)電解液組分（鹽、溶劑、添加劑）以調(diào)節(jié)SEI膜可以?xún)?yōu)化電池性能。電解液的組成會(huì)改變電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而影響界面的去/溶劑化行為。離子-溶劑化結(jié)構(gòu)與界面行為能顯著影響電池性能。調(diào)節(jié)電解液體相溶劑化結(jié)構(gòu)，改善去/溶劑化行為的動(dòng)力學(xué)已成為研究熱點(diǎn)。

此外，相對(duì)于鋰電，人們發(fā)現(xiàn)醚類(lèi)電解質(zhì)在鈉離子電池中更耐高壓，形成的固態(tài)電解質(zhì)界面相也具有更好的界面穩(wěn)定性和界面離子傳輸動(dòng)力學(xué)。缺點(diǎn)則是醚類(lèi)電解質(zhì)的成本較高。因而，如果能降低電解質(zhì)成本的話，醚類(lèi)電解質(zhì)的應(yīng)用將有利于進(jìn)一步提升鈉電的性能優(yōu)勢(shì)。

鈉電池發(fā)展前景：適逢機(jī)遇 勢(shì)在必行

“前面我們談到的，都是如何選擇優(yōu)化電池材料。而實(shí)際上，電池是作為整體存在的。因此，匹配好正負(fù)極和電解質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的鈉離子電池體系的另一重點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，合理的電池設(shè)計(jì)已經(jīng)能使得鈉離子全電池循環(huán)5000次以上，已經(jīng)達(dá)到電池的商用標(biāo)準(zhǔn)?！蓖跽癫ǚ治龇Q(chēng)，“在寬溫域上，鈉離子電池未來(lái)想要發(fā)展要克服它自身的先天不足，拿自己的短板沒(méi)法和別人的長(zhǎng)處去比，所以要把自己的內(nèi)功做好，低溫性能、寬溫域做好就可以和鋰電比拼了，另外它的倍率性能也是不錯(cuò)的，充電時(shí)間短就可以占領(lǐng)更多的市場(chǎng)?！?/span>

為了提升鈉電在不同工況下的可靠性，對(duì)標(biāo)鋰電池、鉛酸電池等優(yōu)秀電池體系，王振波建議，需盡可能地拓寬鈉電的工作溫度范圍，提升其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，考慮到鈉離子電池可能應(yīng)用在中低速電動(dòng)車(chē)上。十分有必要考慮到電池快充、以及續(xù)航歷程的問(wèn)題。

為了獲得寬溫域、高功率的鈉電體系，王振波及其團(tuán)隊(duì)提出了相關(guān)技術(shù)路線：先研究材料，后優(yōu)化電極/電解質(zhì)的相容性，再探究不同工況下電池的性能，最后通過(guò)優(yōu)化全電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化電池在全工況下的綜合性能。具體研究思路是：

（1）篩選電池正極、負(fù)極材料，進(jìn)行粒度、孔徑、組成、結(jié)構(gòu)等層面上的優(yōu)化改性；

（2）匹配電解質(zhì)材料，優(yōu)化電解質(zhì)組成、濃度、溶劑化構(gòu)型，輔以功能性添加劑；

（3）研究以電極為主體，以界面、電解質(zhì)為重要組成部分的電極體系在不同溫濕度環(huán)境、不同充放電條件下的電化學(xué)儲(chǔ)能特性，以反饋優(yōu)化電池體系的設(shè)計(jì)；

（4）組裝圓柱/方形鋁殼電池，進(jìn)一步評(píng)價(jià)及反饋優(yōu)化全電池的組成與結(jié)構(gòu)，以期在提升鈉離子全電池的能量密度、循環(huán)壽命的同時(shí)，控制電池成本；

（5）在平衡性能與成本的基礎(chǔ)上，復(fù)合超級(jí)電容器等器件，以改善電池功率特性。

最后，關(guān)于鈉離子電池的發(fā)展前景，王振波認(rèn)為，可以歸結(jié)為八個(gè)字：適逢機(jī)遇，勢(shì)在必行。鈉電池在光伏儲(chǔ)能、5G和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的移動(dòng)電源、便攜式后備電源等儲(chǔ)能市場(chǎng)，以及電動(dòng)兩輪車(chē)、三輪車(chē)、低速電動(dòng)車(chē)等輕型動(dòng)力市場(chǎng)潛力巨大。“鈉離子電池整個(gè)在市場(chǎng)的情況，需求應(yīng)該是巨大的，潛力是巨大的，無(wú)錫錫山區(qū)除了兩輪車(chē)，還有三輪、四輪，那么多的車(chē)足夠我們?nèi)グl(fā)展了。”

（以上觀點(diǎn)根據(jù)論壇現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)發(fā)言者本人審閱。）